Elice

Monument care descrie o elice

Elicea (sau elice sau elice ) este un organ intermediar capabil să transforme puterea mecanică a unui arbore rotativ într-o variație a impulsului unui fluid , pentru a genera o propulsie conform principiului de acțiune și reacție . Mișcarea conferită fluidului se numește elicoidală și este combinația dintre o mișcare rectilinie , de-a lungul axei și o mișcare de rotație .

Elicea este folosită pe scară largă pentru propulsie atât în câmpul nautic, cât și în cel aeronautic , dar și în ventilație, de aceea ventilatoarele , prin urmare indispensabile pentru condiționarea și ventilația mediilor, și, prin urmare, sunt montate pe toate mașinile, motoarele, compresoarele și aparatele care necesită răcirea și extragerea aerului, inclusiv toate computerele .

Caracteristici generale

Forma și structura

O elice este formată din două sau mai multe elemente dinamice fluide numite palete , care se comportă ca „aripi rotative” care impun o variație a impulsului în direcția vitezei înainte, spre deosebire de aripile convenționale, a căror variație a cantității de mișcare este normal pe direcția de deplasare. Lamele sunt fixate pe un butuc conectat la arbore .

Caracteristicile geometrice ale palelor determină apoi care vor fi caracteristicile motorului, cu referire în special la intervalele de viteză de funcționare, puterea de propulsie și caracteristicile fluidului pentru o funcționare optimă.
Elicele sunt proiectate și construite cu o structură în:

Tipuri

Elicele pot fi în primul rând împărțite pe baza tipului de mediu fluid în care acționează:

Elice aeronautice : sunt elice studiate pentru a acționa într-un amestec de vapori și gaze, precum aerul . Având în vedere densitatea redusă a acestora din urmă, elicele aeronautice se caracterizează mai ales prin viteze de rotație ridicate și prin subțire a palelor.
Elice marine : spre deosebire de cele precedente, aceste elice acționează în interiorul unui lichid care este apă și, prin urmare, având în vedere densitățile mai mari, aceste elice se caracterizează prin viteze de rotație mai mici și palete mai extinse.

Elicele pot fi apoi împărțite pe baza modurilor de funcționare:

Elice de conducere : sunt elice amplasate pe partea din față a vehiculului propulsat și, prin urmare, proiectate pentru a oferi propulsie prin aspirarea fluidului netulburat care se află în fața vehiculului în direcția de avansare și apoi împingerea acestuia pe părțile dinamice ale vehiculului . Din motive de simplitate, preferăm să schematizăm acest mod de funcționare sub formă de tracțiune: majoritatea elicelor aeronautice utilizate de avioane și unele aplicații marine moderne utilizate pe nave sunt de acest tip.
Elice împingătoare : sunt similare cu tractoarele, dar situate în zona din spate a vehiculului. Prin urmare, întâlnesc anterior un fluid în mișcare neuniformă care este afectat de trecerea între suprafețele dinamice ale fluidului mediului. Pe această mișcare, elicea produce un efect de omogenizare și, prin urmare, acțiunea sa poate fi schematizată mai simplu sub formă de tracțiune decât de tracțiune. De acest tip sunt marea majoritate a elicelor marine utilizate pe toate tipurile de bărci și unele aplicații aeronautice (în special în prototipurile de la începutul secolului XX ).
Elice de susținere : spre deosebire de cele precedente, acest tip de elice oferă o forță de susținere, adică opusă forței gravitaționale . Prin urmare, acestea sunt utilizate pe elicoptere .

Parametrii elicei

Profilul unei lopate, unde:
β este unghiul de tastare geometric;
α este unghiul de atac;
α _i este unghiul de incidență indus;
V _t este viteza de rotație a secțiunii elicoidale;
V _o este viteza de mișcare;
V _r este viteza relativă;
V _e este viteza reală;
w este viteza indusă.

Elicele sunt caracterizate de o serie de parametri fizici utili pentru a descrie proprietățile și comportamentul lor.

Pitch - este cantitatea care exprimă distanța parcursă de o elice într-o singură rotație, este exprimată ca:
- pas geometric , care este distanța parcursă teoretic, neglijând conformitatea fluidului și, prin urmare, corespunzătoare distanței pe care ar călători-o elica dacă s-ar deplasa în interiorul unui corp solid (formularea matematică a pasului geometric este p = tan (β) * 2 * π * r, rețineți că rata de alimentare nu apare); o elice este:
  - cu pas uniform dacă fiecare secțiune are aceeași valoare a pasului (prin urmare, tastarea geometrică a secțiunilor scade odată cu creșterea distanței lor de butuc),
  - pas variabil sau pas neuniform dacă secțiunile au valori diferite ale pasului,
  - pas fix dacă valoarea pasului geometric nu poate fi modificată,
  - pas variabil dacă poate fi modificat prin servomecanisme;
- pas real , care este în schimb avansul real al elicei după o rotație în condiții normale și este întotdeauna mai mic decât pasul geometric (și, evident, depinde de viteza de avans).
Regresia - este diferența dintre un pas geometric și un pas real.
Coarda sau coarda locală - este parametrul reprezentativ al lățimii profilului și este variabilă cu distanța de la butuc, datorită faptului că viteza liniară la care este supusă elicea variază cu raza; nealinierea laterală a centrului șirului în raport cu raza dă răsturnarea (sau înclinarea ) lamei.
Viteza de rotație , viteza cu care o secțiune a palei elicei se rotește în jurul butucului, și anume:

{\vec {V}}_{t}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}={\frac {2\pi \,n}{60}}r{\hat {t}}

{\ displaystyle {\ vec {V}} _ {t} = {\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {r}} = {\ frac {2 \ pi \, n} {60}} r { \ hat {t}}}

{\ vec V} _ {t} = {\ vec \ omega} \ times {\ vec r} = {\ frac {2 \ pi \, n} {60}} r {\ hat t}

unde ω este viteza unghiulară (în radiani pe secundă) r distanța de la butuc, n numărul de rotații pe minut și în cele din urmă versorul t indică direcția tangențială la discul elicei.

Viteza relativă , suma vitezei de mișcare și a vitezei de rotație.
Viteza reală , suma vitezei relative și a vitezei induse.
Unghiul de tastare sau unghiul de tastare geometric , adică unghiul pe care șirul îl formează cu planul helixului, perpendicular pe axa butucului: variația unghiului de tastare pe măsură ce se schimbă distanța de la butuc se numește deformare .
Unghiul de direcție aerodinamic , adică unghiul dintre axa de ridicare zero a profilului elicei se formează cu planul elicei, adică unghiul cu care fluidul netulburat interceptează profilul dinamic al fluidului.
Unghiul de atac , unghiul de atac sau unghiul local de atac , unghiul dintre viteza reală și acordul profilului.
Raportul de funcționare , indicat cu γ, este raportul:

\gamma ={\frac {V}{nd}}

{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {V} {nd}}}

\ gamma = {\ frac {V} {nd}}

unde V indică viteza, n sunt rotațiile pe secundă ale elicei și d diametrul elicei.

Eficiență eficientă , definită ca raportul dintre puterea utilă produsă de sistem și puterea absorbită:

\eta _{e}={\frac {\Pi _{u}}{\Pi _{a}}}={\frac {TV}{2\pi fQ}}

{\ displaystyle \ eta _ {e} = {\ frac {\ Pi _ {u}} {\ Pi _ {a}}} = {\ frac {TV} {2 \ pi fQ}}}

\ eta _ {e} = {\ frac {\ Pi _ {u}} {\ Pi _ {a}}} = {\ frac {TV} {2 \ pi fQ}}

unde T reprezintă valoarea de împingere , V viteza , f frecvența elicei și Q momentul de rezistență al elicei.

Eficiența impulsivă , definită ca raportul dintre puterea utilă produsă de sistem și puterea necesară pentru a conferi masei de fluid care acționează asupra motorului, în unitatea de timp, variația impulsului care produce împingerea.

Elice pentru aeronave

Elica unui avion Macchi MC202 .

Elica trebuie să aibă aceeași ridicare de -a lungul întregului braț și, prin urmare, aceeași tracțiune. Având în vedere că ridicarea este direct proporțională cu unghiul de atac și unghiul de atac variază în funcție de viteză; deoarece viteza periferică a lamelor crește de la butuc spre capăt, cheia trebuie neapărat modificată pentru a menține ridicarea constantă. Și tocmai din acest motiv elica este răsucită, adică cu un pas variabil de la butuc spre capăt. Adică, tastarea scade pe măsură ce viteza periferică crește pe profilul elicei departe de butuc.

Pasul geometric neglijează viteza reziduală datorită mișcării sale în fluid, care poate fi mai mare decât, egală sau mai mică decât zero. În câmpul aeronautic, imaginându-și aerul dens până la deplasarea unei aeronave atât de ușoară încât să nu ofere rezistență, după o revoluție elicea își va fi luat ritmul geometric; cu alte cuvinte, este distanța pe care s-ar parcurge helixul dacă s-ar „înșuruba” într-un mediu solid pentru o singură revoluție.

Având avionul oprit înainte de a da accelerația pentru a porni, rotațiile pe care le face elicele au toate pasul real egal cu zero. Pe măsură ce avionul se mișcă, elica își mărește pașii reali tur cu tur. După o anumită viteză, pasul real poate fi mai mare decât pasul geometric. În acest caz, elica frânează.

Deoarece, deoarece este ușor de dedus chiar și intuitiv, puterea pe care elica o poate absorbi și transforma în tracțiune crește pe măsură ce numărul de rotații, diametrul și (în anumite limite) crește pasul geometric, poate părea că se poate alege în mod arbitrar , pentru o putere dată, orice combinație de parametri; în realitate alegerea unei elice este rezultatul unui proces de evaluare foarte atent.

În prima instanță, se poate spune că, în general, o elice cu diametru mai mare este mai eficientă, dar în creșterea diametrului există o primă limită importantă: este esențial ca vârfurile palelor elicei să nu atingă viteza sunetului, altfel eficiența ar scădea și s-ar declanșa vibrații și solicitări periculoase datorate undelor de compresibilitate. Motoarele de aeronave mici, în general, nu depășesc 3.000 rpm la maximum, iar cele care ating 5.000-6.000 rpm utilizează o cutie de viteze, care este întotdeauna prezentă la motoarele cu turbopropulsie, deoarece turbinele funcționează la o frecvență de rotație foarte mare. linia de zbor ansamblul de înaltă presiune - turbină HP și compresor HP - atinge 50.000 rpm). Elicele supersonice au fost testate, dar au dat naștere unor inconveniente semnificative, inclusiv un zgomot atât de asurzitor încât să incapaciteze piloții și personalul de la sol într-un timp scurt. În practică, capetele lamelor sunt realizate pentru a atinge o viteză periferică de aproximativ 250 de metri pe secundă.

Odată ce acest prim parametru a fost fixat, rămâne să se stabilească dacă, pentru o anumită putere, să se utilizeze o elice cu diametru mare cu pas "scurt" sau o elice mai mică cu pas "lung". Trebuie avut în vedere faptul că condiția optimă de lucru pentru o elice este atunci când palele funcționează la incidența lor maximă de eficiență, a cărei valoare este de aproximativ 5 grade. Eficiența maximă a unei folii aeriene maximizează rezistența la tracțiune, iar acest lucru se traduce, pentru o elice, în forță maximă față de cuplu de tracțiune. Cu toate acestea, într-o elice cu pas fix, viteza de translație este compusă vectorial cu viteza tangențială a palelor și, prin urmare, incidența palelor scade odată cu creșterea vitezei, iar elica va tinde să câștige rotații. Ca rezultat, o elice cu diametru mare, cu pas scurt, va avea o eficiență maximă la decolare și urcare, dar performanța sa se descompune rapid cu viteza de zbor și va tinde să supra-rotească. O elice cu diametru mai mic și ampatament lung, pe de altă parte, va funcționa ineficient la viteză redusă, cu lamele aproape de a se bloca și fără a lua accelerația completă, dar va funcționa la cel mai bun nivel odată ce se realizează o croazieră rapidă.

Cu toate acestea, chiar și intuitiv, este ușor de învățat că, prin exagerarea în ambele direcții, s-ar obține „agitatoare de aer” care ar absorbi puterea de la motor fără a o transforma în forță utilă.

Prin urmare, o elice cu pas fix este întotdeauna un compromis între performanțele de decolare și de croazieră și este, în general, utilizată în aeronavele care zboară la viteze de cel mult 200 - 220 km / h, unde schimbarea rpm a elicei cu viteza de zbor este insensibilă ; în aceste cazuri este montată în general o elice care permite atingerea a aproximativ 90% din turațiile maxime atunci când aeronava este staționară și este o marjă suficientă pentru a evita viteza excesivă.

Dacă puterea este de așa natură încât, odată setate rotațiile și diametrul maxim, ar trebui să se utilizeze un pas excesiv, rămâne ultima opțiune: creșterea numărului de lame. Elicele aeronavei pot avea de obicei două până la șase palete. Avioanele mai mici și mai puțin puternice au de obicei două sau trei lame. Motoarele cu un singur piston au rareori patru pale. Motoarele cu turbopropulsie, pe de altă parte, adoptă adesea patru sau șase lame, precum ATR - urile . De asemenea, pentru elicoptere numărul de lame variază de la două la șase în funcție de putere. Din acest motiv, motoarele mai puternice sunt asociate cu elice mici, dar cu mai multe lame. Dacă vârfurile lamelor depășesc vitezele critice, tensiunile ar fi, de asemenea, excesive. Trebuie avut în vedere faptul că vârfurile palelor elicei unui avion normal cu un singur motor pot fi supuse unei accelerații centrifuge de peste 5.000 g (aproximativ 50.000 m / s ² : o masă de gram plasată pe vârful lama ar avea o greutate aparentă de 5 kgf ).

Pentru a depăși compromisurile elicelor cu pas fix, au fost dezvoltate elicele aeronautice cu pas variabil, înclinarea palelor este modificată prin servomecanisme, pentru a obține eficiența maximă într-un anumit interval de viteză: de fapt, dacă aeronava crește viteza, în consecință unghiul de incidență al secțiunii generice a elicei va scădea și, pentru a o menține constantă, va fi necesară creșterea pasului.

Deși elicele cu pas variabil „manual” sunt uneori folosite pe avioane ultralegere de mijloc, marea majoritate a elicelor cu pas variabil pentru aviația generală și avioane ultralegere de ultimă generație sunt de tip „viteză constantă”, unde există un regulator centrifug hidraulic sau un motor pas cu pas gestionat electronic pentru a menține constant numărul de rotații setate de pilot.

Mecanismul de acționare variază ușor în funcție de tipul de aeronavă. La motoarele cu un singur piston, forțele centrifuge și aerodinamice tind în mod natural să aducă elicea la pas minim, în timp ce presiunea uleiului de motor, reglată de regulator, este exploatată pentru a acționa un piston în butucul elicei pentru a aduce lamele spre pasul lung. Echilibrul dintre aceste forțe determină pasul folosit. Dacă numărul de rotații tinde să se abată de la cel setat, regulatorul modulează presiunea din circuit pentru a readuce rotațiile elicei la valoarea dorită.

Pe de altă parte, în aeronavele cu mai multe motoare și turbopropulsoare, forțele care acționează sunt inversate: aceasta pentru a permite elicei, în caz de defecțiune a motorului, să se deplaseze în mod natural la pasul „steag” (adică cu palele paralele cu fluxul aerodinamic ), astfel încât să reducă rezistența motorului avariat în avantajul zborului asimetric (în mai multe motoare) și să îmbunătățească performanțele de alunecare (în motoarele cu un singur turbopropulsor).

Elice marine

Caracteristici tehnice

Elica unei nave

În cazul aplicațiilor marine, elicele trebuie studiate cu o atenție deosebită în ceea ce privește mediul lichid în care vor funcționa. În plus, cu excepția unor aplicații speciale, din motive de siguranță împotriva impactului corpurilor externe, elicele marine sunt întotdeauna așezate în zona din spate a ambarcațiunilor.
Elicele marine (cu excepția cazului special al submarinelor ) funcționează în apropierea suprafeței de separare dintre două fluide (aer și apă), sub rezerva generării fenomenelor de undă . Acest lucru induce efecte de alterare asupra mișcării fluidului de-a lungul fundului bărcii și al elicei. În mod similar, elica trebuie plasată la o scufundare suficientă pentru a nu suporta efectul de suprafață liberă , constând într-o producție masivă de unde în care câmpul de presiune produs de elice este descărcat, reducând forța produsă.
Mai mult, o apropiere excesivă între corpul navei și palele poate provoca șocuri de presiune și poate provoca vibrații pe întregul complex navei-elice. În jargonul tehnic, distanța dintre diametrul maxim al elicei și corpul navei se numește clearence , termen folosit în literatura tehnică engleză și americană.
Diferența semnificativă a presiunii apei pe măsură ce adâncimea crește determină, în sfârșit, palele elicei, în timpul unei rotații, să funcționeze în zone cu caracteristici diferite și intervale de presiune diferite, inducând astfel o neuniformitate suplimentară a forței (împingere laterală) și a momentelor vibratorii extinse la ax rotativ.

Cavitație

Același subiect în detaliu: Cavitație .

Deteriorarea cavitației la lama unei elice marine.

Un fenomen particular pe care îl pot întâlni elicele marine este cavitația , adică formarea de microbule de gaz în zonele cu depresiune maximă. Aceste micro-bule, care migrează rapid către zonele sub presiune mai mare, ajung apoi să se lovească și să se prăbușească pe suprafața lamei, provocând un efect vizibil atât eroziv, cât și coroziv , datorită reactivității gazelor dizolvate. Daunele cauzate de acest fenomen pot fi ușor identificate cu o serie de găuri mici și adânci în zona afectată de cavitație. Mai mult, urmele de bule modifică viteza și câmpul de presiune asupra lamei în sine, acționând ca un fel de pernă pe care deviază fluxul de curent, modificând astfel ridicarea lamei și eficiența elicei.
Datorită corelației sale cu presiunea de vapori a apei și, prin urmare, cu presiunea , cavitația este legată de următorii parametri:

Imersiune - și, prin urmare, la capul hidrostatic;
Frecvența de rotație - și, prin urmare, la câmpul de presiune generat de lame.

Prin urmare, cavitația poate fi combătută prin creșterea scufundării elicei, reducerea frecvenței acesteia sau, în general, creșterea raportului între forța și aria extinsă, adică forța specifică pe unitate de suprafață (cu alte cuvinte folosind o elice cu pale mai mici mari și deci mai puțin încărcat). Elicele marine sunt, prin urmare, împărțite între:

Elice fără cavitație , proiectate să funcționeze în absența cavitației;
Elice limită de cavitație , proiectate să funcționeze normal în absența cavitației;
Elice supercavitatoare , proiectate să funcționeze normal în prezența cavitației;
Elice de suprafață super- cavitative, proiectate să funcționeze la niveluri foarte ridicate de cavitație și cu scurgeri periodice la suprafață.

Parametrii elicelor marine

Performanța elicei izolate - reprezintă performanța elicei în absența corpului:

\eta ={\frac {TV}{2\pi nQ}}

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {TV} {2 \ pi nQ}}}

\ eta = {\ frac {TV} {2 \ pi nQ}}

Eficiență hidrodinamică - reprezintă eficiența reală a elicei cuplată cu corpul navei:

\eta ={\frac {TV_{A}}{2\pi nQ}}

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {TV_ {A}} {2 \ pi nQ}}}

\ eta = {\ frac {TV_ {A}} {2 \ pi nQ}}

În cazul în care V _A = V (1-w) reprezintă viteza de avans , aceasta este viteza percepută efectiv de elice și redusă, în raport cu viteza reală a navei, datorită efectului trezirii (reprezentat de coeficientul w ).

Istorie

Reprezentarea elicei manuale a lui Bushnell, 1775.

Elicea a început să înlocuiască propulsia roților pe la mijlocul secolului al XIX-lea . Încă din 1775 David Bushnell a folosit pentru prima dată o elice cu propulsie manuală în proiectul său de submarin, Turtle ; în jurul anului 1827 , inginerul ceh Josef Ressel a experimentat prima aplicație de propulsie cu o elice navală cu aburi în portul Trieste . La acea vreme, trebuiau 19 ore pentru a ajunge de la Trieste la Veneția. În căutarea unui sponsor pentru a construi o navă cu elice, a găsit un om de afaceri englez care i-a furat planurile și câteva săptămâni mai târziu a fost depusă o cerere de brevet în Anglia cu aceleași caracteristici. De acolo s-au născut experimentele similare efectuate în 1836 , de Francis Pettit Smith și în 1839 , de John Ericsson , care au permis unei nave să traverseze Atlanticul în patruzeci de zile.
În 1849, o competiție de „tragere de război” între două nave de putere egală, dar una cu roată și una cu elice a demonstrat definitiv comoditatea elicei. Primele aplicații implicau adesea elice cu una sau două pale, adesea foarte extinse și aproape întotdeauna în combinație cu roata tradițională, considerată și mai fiabilă. Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea , elicea devenise deja principala soluție propulsivă în aplicațiile navale.
Cuplat începând cu cel de- al doilea război mondial cu noile motoare cu ardere internă , elica găsește aplicații combinate diesel-electrice recente și din ce în ce mai răspândite.

Bibliografie

Luciano Ferraro, Elements of marine machines , Milano, Heopli, 2004 ISBN 978-88-203-3308-9
Luciano Ferraro, Mașini marine (vol. 1), Milano, Hoepli, 2005 ISBN 978-88-203-3482-6
Luciano Ferraro, Mașini marine (vol. 2), Milano, Hoepli, 2005 ISBN 978-88-203-3481-9
Marco Giuffrida, Sisteme electrice și propulsie electrică pe nave navale , Lulu.com, 2013 ISBN 978-1-291-46445-0

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « helix »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre elice

linkuri externe

( EN ) Elica , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Elice de suprafață , pe altomareblu.com .
Propulsie marină cu elice de suprafață , pe topsystemdrive.com .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 28830 · LCCN (EN) sh85107486 · GND (DE) 4135029-7

Portalul aviației	Portal de inginerie
Portalul mării	Portal mecanic